高湿环境下杨木单板层积材销槽的承压性能

郝 丹，王佳阳，付 帅，陈泽华，董浩然，杨小军

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心，江苏 南京 210037)

单板层积材作为一种新型木建筑结构用材，具有良好的钉接、抗弯等性能，被广泛用做木结构托梁、桁架、梁柱等。我国将单板层积材用作建筑结构材料多数依赖于国外进口，材料成本较大，不利于木结构建筑的推广和发展[1]。速生杨木作为我国主要人工林用材，分布广，蓄积量大，但由于速生杨木材质松软、密度低、尺寸稳定性能差等缺点，使得其主要应用于包装、建筑装饰等非结构领域，杨木的价值未能得到充分体现[2-3]。为实现杨木高值化利用，可将速生杨木通过旋切成单板来生产结构用及非结构用单板层积材。

节点连接是木结构构件设计的关键，传统的木结构节点一般采用榫卯连接，现代木结构很少使用，取而代之的是更加标准化，规格化的金属连接件[4]。在诸多连接件中，以平滑销和螺纹销为代表的销具有优良的轴向承载力和安全可靠性，广泛应用于现代木结构中的构件连接。对连接件进行设计时，销槽承压性能是评价销连接的技术指标之一[5]。国外关于销槽承压性能的研究较多[6-7]，JOHANSON[6]提出的销连接“屈服理论”，被引入美国木结构设计规范(National Design Specification，NDS)[7]中，用于螺栓连接节点的承载性能研究，而我国的《木结构设计标准》[8]强调销连接强度仅与螺栓直径和顺纹抗压强度有关，给节点的连接设计提供了一定的参考价值[9]。然而，木建筑所处的湿环境易使构件节点松动，连接件锈蚀；同时，木材本身受湿环境的影响也会产生开裂变形，降低节点连接的强度以及刚度，严重影响了木结构连接承载的安全性。对于高湿环境下的承载力研究，尤其是国产单板层积材，国内尚未见报道[10]。鉴于此，以杨木单板层积材为对象，采用不同直径的平滑销和螺纹销，对杨木单板层积材进行单调加载试验，研究其在高湿环境下平滑销及螺纹销承压性能，并将试验实测值与国外规范理论预测值进行比对，以期为杨木单板层积材的结构化利用提供参考依据，对拓宽国产材应用领域及促进国产材高值化利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用的单板层积材由杨木单板胶合而成，单板厚度为3 mm，使用的胶黏剂为水性异氰酸酯胶黏剂，单板层积材规格为1 000 mm×100 mm×30 mm，平均密度为0.59 g· cm-3，平均含水率为13%。试验用销有两种类型，一种为平滑销，由Q235钢制成，规格分别为直径6、10和16 mm；另一种为螺纹销，同美固自攻螺钉钉杆，直径为6 mm，螺旋状。

1.2 试件制作

参照ASTMD5674-97a[11]规范，试件设计尺寸为100mm×100mm×30mm，为准确模拟平滑销和螺纹销槽承压状态，制作过程如下：将2块锯解后的单板层积材准备钻孔的侧面对齐贴紧，为保证槽孔位于两试件之间且垂直于试件表面，用U型夹具夹紧后，利用台钻进行钻孔后反向拧出，在两块单板层积材试件的两侧边形成相同的半圆孔[12-13]，试件结构如图1所示。试验共18组，每组试件6个，试验设计如表1所示。

(a)横纹Perpendicular grain(b)顺纹Parallel grain

表1 试件分组及参数

1.3 试验方法

试件高湿处理方法：将加工好的试件分别放入温度为50 ℃的恒温恒湿箱中进行模拟环境处理48 h，保持温度恒定，将湿度分别设置为65%、80%和95%。

测试方法：参照ASTMD 5674-97a[11]的半孔法试验法，将高湿处理后的试件，置于岛津力学试验机，以3 mm· min-1的速度进行单调加载测试。当试件发生破坏或销钉完全嵌入时，停止试验，观察并记录各个湿度以及不同类型的销加载下单板层积材的破坏特征。

计算方法：以5%直径偏移法确定单板层积材销槽承压强度的屈服荷载，如图2所示，其中，极限荷载Fu为荷载-位移曲线上的最大值(kN)，Fy为屈服荷载(kN)，D为直径(mm)，初始刚度K1由曲线初始直线斜率求得。

图2 初始刚度和屈服荷载的取值方法

销槽承压强度计算公式为：

(1)

式中：Fe为单板层积材销槽承压强度(MPa)；D为销钉直径(mm)；T为试件厚度(mm)。

2 结果与分析

2.1 销槽承压破坏特征

高湿环境下，单板层积材销槽承压破坏特征与销直径大小和纹理方向有关，与湿度和销类型无关，按照纹理方向和销直径的不同，出现以下4种破坏特征，如图3所示。破坏模式Ι为横纹销槽承压时，使用直径6 mm的平滑销或螺纹销时，试件半圆孔周围未见明显压溃破坏，而在两侧处产生齿形裂纹，如图3(a)；破坏模式Ⅱ为直径10或16 mm平滑销时，试件半圆孔下方应力集中，出现挤压变形，同时在两侧产生齿形裂纹，如图3(b)所示。

顺纹销槽承压时，破坏模式Ⅲ表现为试件沿着销槽承压方向产生变形，当试件直径为6 mm时，销完全嵌入试件中，试件无明显破坏，如图3(c)；当试件直径为10或16 mm平滑销时，出现破坏模式Ⅳ，表现为半圆孔下方开裂，裂缝沿纵向撕裂，单板层积材出现劈裂，试件发生破坏，如图3(d)所示。

2.2 销槽承压荷载-位移曲线

当湿度由65%增加到80%和95%时，单板层积材销槽承压荷载-位移曲线如图4所示。在加载初期，销与试件之间存在空隙，曲线呈现非线性增长；随着荷载的增加，空隙消除，承载力不断增加，曲线呈现线性增长，比较图4(a)和(b)可知，此阶段横纹持续时间比顺纹较短；荷载增加，试件承压区逐渐密实，试件进入屈服阶段。横纹方向试件达到屈服荷载后，承载力仍不断增加。顺纹试件达到屈服荷载后，曲线增长缓慢，随着荷载增加，裂缝产生，位移迅速增加，而曲线逐渐趋于平缓，随之试件破坏，承载力下降。

在湿度为95%时，不同厚度的单板层积材销槽承压荷载-位移曲线变化趋势如图5所示，随直径的增加，曲线形式基本保持不变，同图4相似，大致经过线性增长、屈服阶段和破坏阶段3个过程。

(a)横纹 Perpendicular grain (b)顺纹Parallel grain

(a)横纹 Perpendicular grain (b)顺纹 Parallel grain

2.3 高湿环境对单板层积材销槽承压性能的影响

湿度对单板层积材横纹与顺纹方向销槽承压强度和初始刚度的影响如图6所示。从纹理方向来看，顺纹的销槽承压强度均高于横纹的承压强度[图6(a)]，是由于顺纹的抗压强度高于横纹的抗压强度。湿度对顺纹方向影响较大，横纹方向影响较小。湿度越高，顺纹方向承压强度下降更为显著，当湿度由65%升高到80%时，承压强度下降了16%，湿度从80%升高到95%时，承压强度下降了25%。从图6(b)可以看出，顺纹方向初始刚度在湿度为95%时下降幅度较大，为30%。通过研究湿度对单板层积材销槽承压性能的影响发现，木质材料具有干缩湿胀性，在高湿环境下，单板层积材吸湿膨胀，受潮后材质松软，导致其销槽承压强度和初始刚度均发生不同程度的下降。

2.4 销类型对单板层积材销槽承压性能的影响

顺纹方向下，销类型与单板层积材销槽承压强度和初始刚度的关系如图7所示。图7(a)可以看出，销槽承压强度随湿度增大而减小，且下降幅度相近。同一高湿环境下，螺纹销的承压强度小于平滑销。初始刚度随湿度的变化[图7(b)]也呈现此趋势，湿度越大，螺纹销与平滑销初始刚度差异增大。平滑销表面光滑，接触面为平滑销杆，应力分布较为均匀。螺纹销呈螺旋状，销与试件间的接触以凹凸的螺旋面为主，应力集中分布于斜螺纹处，同时，斜螺纹对单板层积材层板有破坏，同等荷载作用下，螺纹销破坏更明显，导致销槽承压强度小于平滑销。可见，销表面与单板层积材接触情况直接决定其销槽承压性能，平滑销明显优于螺纹销。

2.5 销直径对单板层积材销槽承压性能的影响

销直径与单板层积材销槽承压强度和初始刚度的关系如图8所示。从图8(a)可以看出，无论直径多大，顺纹销槽承压强度均高于横纹销槽。横纹方向，销槽承压强度随着直径的增大而减小，尤其当直径从10 mm增大至16 mm时，销槽承压强度下降更为明显，下降幅度为24%；顺纹方向，销槽承压强度随直径的增大，整体呈现先下降后上升的趋势。从图8(b)可以看出，顺纹方向，初始刚度随直径的增大，整体呈现先略微下降后上升的趋势。横纹方向，初始刚度随直径的增大呈现先增大后趋于稳定的趋势，但总体增长趋势不明显。

关于销直径对销槽承压性能的影响，目前没有统一的结论。HWANGetal[14]认为顺纹销槽承压强度随直径的增大而降低，由佳等[15]对国产红松进行销槽承压试验得出，横纹方向承压强度随直径的增大而减小，顺纹方向则不受直径影响。通过此次研究发现，单板层积材横纹方向随直径的增大而减小，观察整个试件的破坏特征可知，大直径的销刚度较大，应力集中在试件整个受压区，变形发生在试件上，导致单板层积材销槽承压强度减小。顺纹方向在直径为16 mm时承压强度增大，推测原因可能是直径大的销刚度较大，向下传递的荷载较大，同等变形程度上，承压强度与初始刚度值增大。

2.6 不同规范销槽承压强度预测值与实测值比较

国际上关于销钉类连接计算方法，主要有欧洲木结构设计规范Eurocode 5[16]、NDS[7]、加拿大木结构设计规范CSA[17]。根据不同的木结构设计规范计算方法，湿度为95%状态下杨木单板层积材强度的预测值如表2所示。

从表2可知，Eurocode 5和NDS对高湿环境下单板层积材销槽承压强度有一定的预测能力，尤其是Eurocode 5的计算方法误差较小，横纹误差范围为-2.42%～-16.23%，顺纹误差范围为8.54%～16.11%，可能是由于Eurocode 5在横纹与顺纹方向均考虑了全干密度与销直径影响因素，能够较为准确地反映高湿环境下单板层积材承压强度值。然而，无论哪种计算方法，均未考虑环境湿度的影响。因此，若想更准确地预测高湿环境下的销槽承压强度，还需进一步试验，同时考虑环境湿度、销直径和销类型对单板层积材的影响，建立相应的理论计算模型。

3 小结

销槽承压性能是评价杨木单板层积材结构化利用的技术指标，环境湿度是影响其承载性能的重要因素。湿度对杨木单板层积材销槽承压顺纹方向影响较大，湿度越大，承压强度和初始刚度均减小，湿度为95%时，下降幅度最大，分别为25%和30%。销表面状态影响单板层积材承压性能，平滑销优于螺纹销，随着平滑销直径增大，横纹方向承压强度减小，初始刚度先增大后趋于稳定。通过比较不同的木结构设计规范计算方法，高湿环境下单板层积材销槽承压强度的预测值宜采用Eurocode 5[16]进行计算。对于高湿环境下单板层积材销槽承压性能的改善以及计算模型的建立，后续将进行更深入地研究。